Trzy znane neutrina i możliwy czwarty „cień”
Zgodnie z Modelem Standardowym istnieją trzy rodzaje neutrin. Wiemy dziś, że mają one masę i potrafią zmieniać swój „zapach” w trakcie ruchu — zjawisko to nazywamy oscylacjami neutrin. Przez lata część eksperymentów rejestrowała jednak subtelne anomalie, które można było wyjaśnić istnieniem czwartego neutrina. Miałoby ono być jeszcze bardziej nieuchwytne niż pozostałe — praktycznie niewchodzące w oddziaływania z materią, stąd nazwa sterylne neutrino.
Gdyby taki obiekt rzeczywiście istniał, oznaczałoby to fizykę wykraczającą poza obecne teorie, a nawet potencjalny trop w poszukiwaniach natury ciemnej materii.
Jak działa eksperyment KATRIN?
Eksperyment KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) został zaprojektowany przede wszystkim do pomiaru masy neutrina. W tym celu bada on niezwykle dokładnie rozpad beta trytu — promieniotwórczego izotopu wodoru. Podczas tego rozpadu emitowany jest elektron i neutrino, a rozkład energii elektronów niesie subtelną informację o właściwościach neutrin.
Gdyby w procesie brało udział sterylne neutrino, w widmie energii elektronów pojawiłoby się charakterystyczne „załamanie”. KATRIN, działający w Karlsruhe Institute of Technology w Niemczech, to ogromna, ponad 70-metrowa aparatura wyposażona w jedno z najdokładniejszych urządzeń pomiarowych na świecie. Od 2019 roku rejestruje ona widmo rozpadu trytu z bezprecedensową precyzją.
Miliony elektronów i brak sensacji
W latach 2019–2021 naukowcy zarejestrowali około 36 milionów elektronów i porównali wyniki z bardzo dokładnym modelem teoretycznym. Nie znaleziono żadnych śladów sterylnego neutrina. Oznacza to wykluczenie dużej części zakresu parametrów, które wcześniej sugerowały inne eksperymenty — w tym całkowite podważenie kontrowersyjnych wyników projektu Neutrino-4.
Co ważne, KATRIN bada neutrina w momencie ich powstawania, a nie po przebyciu długiej drogi, jak robią to eksperymenty oscylacyjne. Dzięki temu stanowi niezależne i bardzo czyste źródło informacji, doskonale uzupełniające pomiary reaktorowe, takie jak STEREO.
Nauka krok po kroku zawęża możliwości
Choć brak odkrycia może brzmieć rozczarowująco, w fizyce fundamentalnej to ogromny postęp. Dzięki KATRIN naukowcy wiedzą dziś znacznie lepiej, gdzie sterylnego neutrina nie ma. A to równie ważne, jak znalezienie nowej cząstki — bo pozwala budować coraz dokładniejszy obraz Wszechświata i praw nim rządzących.
Projekt KATRIN to międzynarodowa współpraca ponad 20 instytucji z 7 krajów, pokazująca, jak precyzyjne eksperymenty laboratoryjne mogą testować najbardziej ambitne idee współczesnej fizyki.
Źródło: Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
